华光潭一级水电站厂房后边坡锚筋桩轴力监测研究

2013-05-04何超亮

铁道建筑 2013年6期

何超亮

(福建省建筑科学研究院，福建福州 350025)

锚筋桩支护技术由于其施工工艺简单、造价低廉、见效快、锚固深度适中等优点，在边坡加固防护中已得到广泛的应用［1-2］。然而，锚筋桩作为深入地层的受拉构件，受温度、降雨、降雪、施工爆破、岩土体性质、软弱结构面等外部因素以及锚筋桩本身施工条件和施工质量等内部因素的多重影响，使得锚筋桩受力机制复杂，并非呈现出单一的受拉或受压状态。本文对华光潭一级水电站厂房后边坡崩坡积层及强卸荷带岩体锚筋桩轴力进行监测，将锚筋桩轴力分为3种类型，并对每种类型轴力的影响因素进行评价，探求锚筋桩轴力在坡体空间上的分布特点，以期对类似边坡工程的防护提供指导。

1 工程概况

华光潭一级水电站位于浙江省临安市分水江干流昌化江上游的巨溪河段，一级水电站厂房位于龙岗镇荞麦岭村对岸［3］。在2007—2008年，先后发现华光潭一级水电站厂房后边坡存在严重的变形破坏迹象［3］，如高程250 m马道发生局部坍塌、挡墙严重错位以及坡面出现多条裂缝。一系列的宏观变形特征表明，华光潭一级水电站厂房后边坡是具有多级后缘滑裂面的古变形体，已存在突出的稳定问题，尤其是位于厂房正后方，高程230～314 m的崩坡积层及强卸荷带岩体，在暴雨和地下水作用下，变形呈现加剧趋势，稳定性不断恶化，再次演变为地质灾害的可能性逐渐加大，严重威胁一级水电站厂房安全。因此，对华光潭一级水电站厂房后边坡高程约230～314 m的崩坡积层及强卸荷带岩体采用锚筋桩+框架梁应急支护措施。锚筋桩间距2.5 m，长度20 m或25 m，与水平面夹角20°，呈梅花形布置，采用2B25钢筋，钻孔直径70 mm，设计抗拔力250 kN。

为进一步查清崩坡积层及强卸荷带岩体的控稳因素，监控边坡稳定状况和变形发展趋势，在坡体中选取13根锚筋桩累计安装19个应变计，用以监测锚筋桩轴力变化。

2 监测点的布置及监测方法

锚筋桩轴力监测点的布置遵循代表性原则、最不利原则、一点多用原则和效益—成本原则［4］，对13根锚筋桩轴力分别采用单测点及双测点监测。其中，单测点埋深16.5 m;双测点埋深分别为8 m和17 m。轴力监测点分布如表1所示。

表1 锚筋桩轴力监测点汇总

传感器选用美国基康公司生产的VK4150型点焊式应变计，通过点焊方式，将传感器焊接于事先在钢筋上铣出的安装平面上，再通过MICRO40自动采集仪实现自动在线监测。将观测数据换算成锚筋桩应变，再根据锚筋桩的弹性模量和面积，最终得到锚筋桩的轴力。

3 锚筋桩轴力分布特征

锚筋桩轴力的变化客观反映了崩坡积层及强卸荷带岩体的稳定性。各锚筋桩所处的环境、施工条件及施工质量的差异均会使锚筋桩轴力呈现出不同的特征。

3.1 拉压—季节波动型

锚筋桩轴力随季节温度的变化起伏波动。这类测点有8个，占44%，代表性测点有孔深8 m的8Z2，12Z2，13Z2 和孔深 17 m 的8Z1，2Z1，13Z1 等。

水电站厂房后边坡主轴倾向NE，日照时间充裕，受日照辐射影响，坡面温度及锚筋桩内部温度均呈季节变化，见图1。与边坡表面温度变化不同，锚筋桩内部日温度未呈现出明显的昼夜变化，但季节性温差随孔深增加而降低，坡面季节性温差最大达26.9℃，孔深8 m处温差达到6.5℃，而孔深17 m处温差仅为2.1℃。显然，当岩体完整性较好，且锚筋桩安装质量良好的情况下，坡面温度将影响坡体内部及锚筋桩内部温度的变化，并对相应部位锚筋桩轴力产生一定影响［5］。拉压—季节波动型轴力随时间变化曲线见图2。

图1 坡面及锚筋桩内部温度变化

由图2(a)可以发现，孔深8 m处测点轴力与温度呈现明显的负相关性。当温度升高(降低)时，边坡浅部岩体和锚筋桩均发生膨胀(收缩)，由于岩石线膨胀系数比锚筋桩钢筋线膨胀系数要小，岩体未能与锚筋桩同步协调变形，则对锚筋桩的温度变形产生约束作用，导致锚筋桩轴力与温度呈现负相关性，锚筋桩轴力表现为拉压—季节波动型。

图2 拉压—季节波动型轴力随时间变化曲线

孔深17 m处测点由于季节性温差较小，温度变化对深部测点轴力的影响并不显著。但当岩体完整性较好，且锚筋桩安装质量良好时，锚筋桩浅部的“热胀冷缩”将带动深部变形［5］，亦会导致深部锚筋桩轴力的季节性波动，见图2(b)。可见，拉压—季节波动型轴力时程曲线主要受季节性温度控制，但在其他外界因素如暴雨、爆破施工等的诱发下，边坡变形加剧，锚筋桩轴力仍有可能发生突变或增长，呈现波动起伏。

3.2 受拉—增长型

边坡岩土体在降雨、降雪及爆破施工等影响下，发生向临空方向的变形，使得锚筋桩被动持续受拉，轴力总体上处于持续增长状态。此类测点7个，占39%，代表性测点有7Z1，11Z1，11Z2等。其轴力随时间变化曲线见图3。由于测点埋深较大或者岩体破碎，热传导系数很小，温度影响范围有限，该类测点并未呈现出受温度影响的季节性波动。监测数据表明，在外界因素如暴雨、爆破施工等的诱发下，此类测点轴力总体上处于持续增长状态。在2010年4月以前，由于边坡表面截排水沟及平洞内部排水孔施工尚未完成，受降雨(降雪)及排水平洞爆破施工的双重影响，轴力以一定速率持续增长。此后，随着边坡表面截排水沟及平洞内部排水孔施工的逐步完成，夏季厂区虽有较大的降雨，但轴力受降雨影响仅产生小幅波动。在2010年12月以后，受大规模降雪影响，锚筋桩轴力发生突变或持续增长，但增速明显小于2010年4月以前。由此可见，降雨(降雪)及爆破施工是影响该类锚筋桩轴力增长的主要因素，且排水设施施工完成后，与降雨相比，往往大规模降雪对锚筋桩轴力的增长影响更大，对边坡稳定性危害更严重。这主要是由于大规模降雪后，短期内大部分降雪在边坡表面堆积，增加了坡体荷载。同时，一部分积雪融化成水渗入坡体对岩土体和软弱结构面产生浸泡作用，进一步恶化了边坡的稳定状况。锚筋桩轴力的增长一方面表明降雨及降雪对锚固区的整体稳定性产生一定影响，锚筋桩所处坡体存在向边坡临空方向的变形，使得锚筋桩被动受拉;另一方面表明边坡支护后，一直处于应力调整阶段，锚筋桩支护措施对锚固区的稳定有良好的效果。

图3 受拉—增长型轴力随时间变化曲线

3.3 受压—下降型

与前两者不同，该类测点受季节性温度及降雨(雪)外界因素影响很小，锚筋桩轴力总体上呈下降趋势，表现出受压—下降型特点。这类测点3个，占17%，测点为3Z1，6Z1，10Z1。该类测点轴力随时间变化曲线见图4。其主要是由于该类测点所处坡体局部范围内岩体风化严重、破碎强烈，边坡表面温度无法有效传递到边坡深部。同时，受锚固区域陡倾、反倾软弱结构面的影响，边坡后缘坡体发生向临空方向的位移，导致相应区域软弱结构面压缩闭合，边坡深部岩体向坡外的变形比浅部的大，使得岩体内的锚筋桩也处于受压状态。随着时间的推移，坡体倾倒变形仍有可能加剧。当锚筋桩轴力曲线发生突变或急剧下降时，该类锚筋桩所处坡体的稳定性也应引起足够重视。

图4 受压—下降型轴力随时间变化曲线

监测结果表明，崩坡积层及强卸荷带岩体锚筋桩轴力主要呈现拉压—季节波动型及受拉—增长型两类。锚筋桩轴力在坡体空间上呈现出一定特点:不同测点距临空面水平距离相同时，高程越低，轴力越大，如高程较低的11Z1，11Z2点轴力分别比高程较高的8Z1，8Z2点大;不同测点高程大致相等时，距临空面水平距离越小，轴力越大，如距临空面水平距离较小的8Z2，13Z2点的轴力分别比距临空面水平距离较大的8Z1，13Z1 点大。

4 锚固效果

为进一步监控崩坡积层及强卸荷带岩体的稳定性，同时验证锚固效果，在高程250 m坡体安装了水平多点位移计，用以监测坡体向临空方向的水平位移。监测结果表明，坡体变形主要产生于距临空面水平距离26～51 m范围，而距临空面水平距离0～26 m范围的水平位移最大不足0.6 mm。显然，锚筋桩支护有效抑制了边坡浅层岩体(包括崩坡积层)的变形，边坡浅层岩体基本处于稳定状态。但距临空面水平距离超过26 m岩体的变形仍有待进一步观测。